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系統識別號 U0002-0703201704124800
中文論文名稱 軟弱黏土中層狀加勁砂柱承載行為之數值模擬
英文論文名稱 Numerical Analysis of Geosynthetic-laminated Sand Columns under Vertical Loading in Soft Clay
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 105
學期 1
出版年 106
研究生中文姓名 林明瑋
研究生英文姓名 Ming-Wei Lin
學號 604380104
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-01-10
論文頁數 156頁
口試委員 指導教授-吳朝賢
委員-洪勇善
委員-楊國鑫
中文關鍵字 砂石樁  層狀加勁  加勁材  軟弱黏土  數值模擬  承載力 
英文關鍵字 sand column  laminated  soft clay  numerical modeling  bearing capacity 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究利用有限差分軟體FLAC撰寫數值分析程式,藉由分析結果探討軟弱黏土中層狀加勁砂柱之力學行為,由模型試驗為基準,驗證數值分析之正確性,而後建立現場軟弱填土中層狀加勁砂石樁數值模型,依據影響層狀加勁砂石樁承載行為之重要參數,如加勁材勁度、間距比S/D、加勁範圍Lr/L及樁徑,進行實體砂石樁之參數研究,剖析加載過程中樁體變形、黏土側向壓力與加勁材受力情形等,並以砂土內部最小主應力分佈為基準,加以分析加勁材於砂石樁內之影響範圍。
由研究結果分析可得,加勁材之勁度對於樁體變形以及黏土提供之側向壓力,並無顯著之影響,其加勁提升效果會依間距比不同而有所不同,當間距比愈小時提升效果較愈加。當間距比為1.0、0.5以及0.25時,其加勁深度只需3 m、5 m以及8 m即可與全段加勁效果相同,若低於各臨界加勁深度其承載力將小於全段加勁。由加勁砂石樁砂土最小主應力分佈情形,可知其軸心受到加勁材影響最大,由軸心向外圍遞減,但遞減範圍依間距比不同而有所差異。當間距比為1.0時其內部砂土受加勁材影響範圍有限,故於加勁材勁度不同時其提升效果較差。當間距比為0.25時其內部砂土受加勁材影響範圍為全段,故於加勁材勁度不同時其提升較佳,結果可得加勁材之勁度對其影響範圍內產生作用,對於加勁範圍影響較小,加勁材勁度越高,對砂土束制力較強,對其加勁範圍內的圍壓增量提升最高,能夠達到最有效加勁效果。
英文摘要 The purpose of this study is to investigate the mechanical behavior of geosynthetic-laminated sand columns embedded in soft clay using the finite difference software FLAC. Numerical analysis results are verified by laboratory test results. Based on the important parameters affecting the behavior of the laminated column, reinforcement stiffness, S/D ratio, reinforced length ratio and column diameter are chosen to investigate the mechanical behavior of sand columns in this study. The influence of laminated reinforcement in terms of column deformation, later pressure of the clay and the circumferential tensile stress of the geotextiles during the loading process are investigated.
The results of the analysis show that: (1) Reinforcement stiffness has insignificant effect on the deformation of the column and the later pressure of the clay, (2) The effect of reinforcement stiffness varies with the S/D ratio, reinforcement is more effective for column with smaller S/D ratio, (3) For columns with S/D=1.0, 0.5, and 0.25, the columns have reinforced depth of 3 m, 5 m and 8 m, respectively produce the same vertical loading as the fully reinforced column, (4) According to the distribution of the minor principal stress in sand column, the contribution in providing confining stress of the laminated reinforcement decrease from the axis to the periphery; the degree of variation varies with S/D ratio, (5) The influence area of the sand by the reinforcement depends on the S/D ratio only, however, reinforcement stiffness affects the magnitude of the stress.
論文目次 章節目錄
章節目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 X
第一章 緒論 1
1-1研究動機與目的 1
1-2研究方法 1
1-3研究架構與內容 5
第二章 文獻回顧 7
2-1砂石樁工法 8
2-2砂石樁加勁方式 8
2-3層狀加勁之研究 10
2-3-1加勁材勁度及強度對加勁效果之影響 10
2-3-2加勁材層數及安置位置之影響 12
2-3-3加勁材界面摩擦角對加勁效果影響 15
2-4層狀加勁砂柱試驗之數值模擬分析 18
2-5軟弱黏土中層狀加勁砂柱之數值模擬分析 20
第三章 砂土、加勁材以及黏土之數值分析模式 23
3-1 FLAC數值分析程式 23
3-1-1 FLAC 簡介 23
3-1-2 FLAC 運算原理 24
3-1-3 FLAC數值模擬步驟與流程 28
3-2砂土之數值分析模式 29
3-2-1砂土基本性質 29
3-2-2砂土塑性模式 31
3-2-3砂土數值參數 36
3-2-4砂土三軸試驗數值模擬 45
3-3加勁材之數值分析模式 50
3-3-1加勁材基本性質 50
3-3-2加勁材彈性模數 50
3-3-3加勁材-砂土介面力學行為 53
3-4黏土之數值分析模式 56
3-4-1黏土基本性質 56
3-4-2修正劍橋黏土模式 57
3-4-3黏土之數值模擬參數建立 63
第四章 軟弱黏土中層狀加勁砂柱之數值模擬 65
4-1軟弱黏土承載行為之數值模擬 65
4-1-1數值網格、邊界、初始條件 65
4-1-2黏土-鋼版之界面參數 66
4-1-3 數值模擬分析結果 67
4-2軟弱黏土中砂柱承載行為之數值模擬 67
4-2-1數值網格、邊界、初始條件 67
4-2-2砂土-鋼版之界面參數 68
4-2-3 數值模擬分析結果 70
4-3軟弱黏土中層狀加勁砂柱承載行為之數值模擬 74
4-3-1砂柱模型配置、數值邊界以及初始條件 74
4-3-2 GT3 5層加勁砂柱承載行為之數值模擬 77
4-3-3 GT3 10層加勁砂柱承載行為之數值模擬 83
4-3-4 GT2-5層加勁砂柱承載行為之數值模擬 90
第五章 現地層狀加勁砂石樁承載行為之研究 98
5-1現地黏土材料之參數 98
5-1-1黏土性質 98
5-1-2黏土參數 99
5-2黏土邊界效應 101
5-2-1 邊界效應之數值網格與初始條件 101
5-2-2邊界效應之分析結果 103
5-3參數研究 104
5-3-1參數研究之規劃 104
5-3-2加載程度 106
5-3-3加勁材勁度影響 107
5-3-4間距比S/D影響 119
5-3-5 加勁範圍Lr/L影響 122
5-3-6樁徑影響 128
5-3-7加勁砂石樁之內部應力 134
第六章 結論與建議 152
參考文獻 154


圖目錄
圖1-1研究計畫流程圖 4
圖2-1砂石樁破壞模式(Brauns,1978) 8
圖2-2合成材不同加勁方式(Latha & Murthy,2007) 9
圖2-3不同加勁方式之三軸試驗結果(Latha & Murthy,2007) 9
圖2-4圍壓100kPa下之三軸試驗結果(Haeri et al.,2000) 11
圖2-5 不同加勁材10層加勁承載試驗結果(陳冠龍,2015) 11
圖2-6 加勁材安置方式(Haeri et al.,2000) 12
圖2-7 加勁材各安置位置與不同層數之三軸試驗結果(Haeri et al.,2000) 12
圖2-8不同半徑與a0/s之應力應變圖(Wu & Hong ,2008) 13
圖2-9 加勁材配置示意圖(陳冠龍,2015) 14
圖2-10相同加勁材不同層數之試驗結果(a)GT1(b)GT3(陳冠龍,2015) 14
圖2-11 模型試驗柱體變形圖(a)GT3-5層(B)GT3-10層(陳冠龍,2015) 14
圖2-12 GT3-不同間距與不同加勁範圍試驗結果(陳冠龍,2015) 15
圖2-13 砂土-加勁材界面摩擦角對於層狀加勁砂柱之行為(Hong & Wu,2013) 16
圖2-14不同間距兩連續加勁材間圍壓應力高程分佈(軸應變20%)(Hong & Wu,2013) 17
圖2-15 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積應變關係圖(黃振業,2009) 18
圖2-16 數值模擬8層水平加勁砂柱三軸之應力-應變-體積應變關係圖 19
圖2-17數值分析模型示意圖(a)外包加勁砂柱(b)層狀加勁砂柱 (Hosseinpour et al.,2014) 20
圖2-18(a)五層加勁示意圖(b)水平加勁(n=5)與未加勁砂柱(n=0)實驗與數值之比較圖(Iman Hosseinpour, Mario Riccio & Marcio S.S.,2014) 21
圖2-19(a)不同加勁方式載重與沉陷量關係圖(b)不同加勁方式及間距比與砂柱徑向應變關係圖(Hosseinpour et al.,2014) 22
圖3-1 FLAC程式計算流程 27
圖3-2 試驗用砂土之粒徑分佈曲線(陳冠龍,2015) 29
圖3-3 砂土之圍壓與摩擦角關係圖(郭建明,2013) 31
圖3-4 No.201試驗砂之應力-應變-體積變化曲線 (朱志峯,2006) 36
圖3-5 土壤彈性模數與圍壓之關係(郭建明,2013) 38
圖3-6 不同圍壓下發揮摩擦角與累積剪塑性應變之關係(郭建明,2013) 40
圖3-7 尖峰軸差應力下累積剪塑性應變與圍壓之關係(郭建明,2013) 41
圖3-8 發揮膨脹角與累積剪塑性應變之關係(郭建明,2013) 42
圖3-9 初始膨脹下累積剪塑性應變與圍壓之關係(郭建明,2013) 43
圖3-10 尖峰膨脹角下累積剪塑性應變與圍壓之關係(郭建明,2013) 44
圖3-11 Mohr-Coulomb彈性完全塑性砂土三軸應力-應變-體積變化關係圖 46
圖3-12 砂土三軸數值網格模型 47
圖3-13 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 49
圖3-14 GT2之軸向拉伸試驗結果 51
圖3-15 GT3之軸向拉伸試驗結果 52
圖3-16 GT2XD 界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 54
圖3-17 GT2MD 界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 54
圖3-18 GT3XD 界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 55
圖3-19 GT3MD 界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 55
圖3-21 飽和黏土均向壓密之 曲線 59
圖3-22飽和黏土之均向壓密與單向度壓密之 曲線 60
圖3-23 p-q平面內黏土之臨界狀態線 (Wood,1990) 61
圖3-24 座標平面內之臨界狀態線(Wood,1990) 62
圖3-25參考壓力對應於正常壓密線與臨界狀態線上之比體積 63
圖4-1黏土承載行為之數值分析網格 66
圖4-2 黏土承載行為之數值模擬結果 67
圖4-3軟弱黏土中純砂柱之數值分析網格 68
圖4-4界面直剪試驗之剪位移及剪應力關係圖(郭建明,2013) 69
圖4-5 直剪試驗之不同正向應力之剪勁度關係圖(郭建明,2013) 69
圖4-6 界面直剪試驗之砂土-鋼板界面摩擦角(郭建明,2013) 70
圖4-7軟弱黏土中純砂柱承載行為之數值模擬結果 71
圖4-8沉陷量10 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 72
圖4-9 沉陷量30 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 73
圖4-10 沉陷量50 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 73
圖4-11 數值模擬之砂柱配置圖 75
圖4-12不同加載速率下柱體垂直位移及沉陷量數值模擬結果 75
圖4-13不同加載速率下沉陷量及不平衡力關係圖 76
圖4-14數值程式網格變形圖 76
圖4-15軟弱黏土中GT3 5層加勁砂柱之數值分析網格 77
圖4-16軟弱黏土中GT3 5層加勁砂柱之數值分析結果 78
圖4-17沉陷量10 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 79
圖4-18沉陷量10 mm下之黏土側向壓力 79
圖4-19沉陷量20 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 80
圖4-20沉陷量20 mm下之黏土側向壓力 80
圖4-21沉陷量30 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 81
圖4-22沉陷量30 mm下之黏土側向壓力 81
圖4-23 加勁砂柱各層加勁材所受張力圖 82
圖4-24軟弱黏土中GT3 10層加勁砂柱之數值分析網格 83
圖4-25軟弱黏土中GT3 10層加勁砂柱之數值分析結果 84
圖4-26沉陷量10 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 85
圖4-27沉陷量10 mm下之黏土側向壓力 86
圖4-28沉陷量20 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 86
圖4-29沉陷量20 mm下之黏土側向壓力 87
圖4-30沉陷量30 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 87
圖4-31沉陷量30 mm下之黏土側向壓力 88
圖4-32 加勁砂柱各層加勁材所受張力關係圖 89
圖4-33軟弱黏土中GT2 5層加勁砂柱之數值分析網格( ) 90
圖4-34軟弱黏土中GT2 5層加勁砂柱之數值分析網格( ) 91
圖4-35軟弱黏土中GT2 5層加勁砂柱之數值分析網格( ) 91
圖4-36不同網格數柱體垂直壓力及沉陷量數值模擬結果 92
圖4-37軟弱黏土中GT2 5層加勁砂柱之數值分析結果 93
圖4-38沉陷量10 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 94
圖4-39沉陷量10 mm下之黏土側向壓力 94
圖4-40沉陷量20 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 95
圖4-41沉陷量20 mm下之黏土側向壓力 95
圖4-42沉陷量30 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 96
圖4-43沉陷量30 mm下之黏土側向壓力 96
圖4-44加勁砂柱各層加勁材所受張力關係圖 97
圖5-1現地土壤性質與地質分布狀況(取自Bergado et al.,1998) 98
圖5-2邊界半徑20 m之數值網格模型 102
圖5-3不同邊界半徑之砂石樁承載行為數值模擬結果 103
圖5-4不同邊界半徑之砂石樁樁體變形及黏土提供之側向壓力 104
圖5-5層狀加勁砂石樁承載行為之數值模擬結果 106
圖5-6間距比S/D=1.0之數值網格模型38 72格(水平 垂直) 108
圖5-7間距比S/D=0.5之數值網格模型38 118格(水平 垂直) 109
圖5-8間距比S/D=0.25之數值網格模型38 163格(水平 垂直) 110
圖5-9間距比S/D=1.0時不同勁度下層狀加勁砂石樁之承載行為 111
圖5-10間距比S/D=0.5時不同勁度下層狀加勁砂石樁之承載行為 112
圖5-11間距比S/D=0.25時不同勁度下層狀加勁砂石樁之承載行為 113
圖5-12間距比S/D=1.0時不同勁度下之樁體變形與黏土提供之壓力 114
圖5-13間距比S/D=0.5時不同勁度下之樁體變形與黏土提供之壓力 115
圖5-14間距比S/D=0.25時不同勁度下之樁體變形與黏土提供之壓力 116
圖5-15間距比S/D=1.0時不同勁度下之各位置加勁材之張力圖 117
圖5-16間距比S/D=0.5時不同勁度下之各位置加勁材之張力圖 118
圖5-17間距比S/D=0.25時不同勁度下之各位置加勁材之張力圖 119
圖5-18不同間距比之層狀加勁砂石樁承載力-沉陷量關係 120
圖5-19不同間距比之樁體變形與黏土提供之壓力 121
圖5-20不同間距比各位置加勁材之張力分佈圖 122
圖5-21間距比S/D=1.0時不同加勁範圍之層狀加勁砂石樁承載行為 123
圖5-22間距比S/D=1.0時加勁深度與砂石樁承載力關係 123
圖5-23間距比S/D=1.0時不同加勁範圍之樁體變形與黏土提供之壓力 124
圖5-24間距比S/D=0.5時不同加勁範圍之層狀加勁砂石樁承載力與沉陷量關係 125
圖5-25間距比S/D=0.5時加勁深度與砂石樁承載力關係 125
圖5-26間距比S/D=0.5時不同加勁範圍之樁體變形與黏土提供之壓力 126
圖5-27間距比S/D=0.25時不同加勁範圍層狀加勁砂石樁承載力與沉陷量關係 127
圖5-28間距比S/D=0.25時加勁深度與砂石樁承載力關係 127
圖5-29間距比S/D=0.25時不同加勁範圍之樁體變形與黏土提供之壓力 128
圖5-30間距比S/D=1.0時不同樁徑之層狀加勁砂石樁承載力與沉陷量關係 130
圖5-31間距比S/D=0.5時不同樁徑之層狀加勁砂石樁承載力與沉陷量關係 131
圖5-32間距比S/D=1.0時不同樁徑之樁體變形與黏土提供之壓力 132
圖5-33間距比S/D=0.5時不同樁徑之樁體變形與黏土提供之壓力 133
圖5-34間距比S/D=1.0時砂石樁砂土內部圍壓分佈圖 135
圖5-35間距比S/D=0.5時砂石樁砂土內部圍壓分佈圖 138
圖5-36間距比S/D=0.25時砂石樁砂土內部圍壓分佈圖 143
圖5-37間距比S/D=1.0時砂石樁上部砂土內部圍壓分佈圖 145
圖5-38間距比S/D=0.5時砂石樁上部砂土內部圍壓分佈圖 146
圖5-39間距比S/D=0.25時砂石樁上部砂土內部圍壓分佈圖 151

表目錄
表2-1試驗用加勁材之力學性質(Haeri et al.,2000) 10
表2-2材料參數以及數值分析所採用之模式(Hosseinpour et al.,2014) 21
表3-1 試驗用砂土之基本性質 30
表3-2加勁材基本物理性質 50
表3-3 加勁材-砂界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 53
表3-4 試驗用黏土之基本性質 56
表5-1現地土壤初始有效應力(取自Bergado et al.,1998) 99
表5-2現地土壤Modified Cam-clay model臨界破壞理論模式之參數    (取自Bergado et al.,1998) 99
表5-3本研究所採用之影響參數 105

參考文獻 參考文獻
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論文使用權限
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